Ανάλυση και σχεδιασμός μορφοποιούμενων γεωμετριών σε υδραυλικά κυκλώματα υψηλής πίεσης για βέλτιστη λειτουργία

Abstract

The object of this thesis is the investigation, analysis and design of geometries for optimal operation of high pressure hydraulic circuits, utilizing the shaping techniques of the walls that enclose the working medium. In the first stages of the work, problems were sought in the field of hydraulics that could be solved with new techniques that do not involve destruction of the flow of the working medium and therefore do not lead to further leakage losses. As a result of the investigation, it was decided to specifically study the issue of the attenuating of pressure pulses coming from positive displacement pumps in two central sub-cases: a) damping at the source of the pulses generation with shaping techniques introduced on the pump body, b) damping against hydraulic elements that are subjected to high stress /play great importance during the operation of high-pressure hydraulic circuits with the use of suitable shape-morphed attenuators. For the first case, an initial modeling of the operation of gear pumps with external toothing was done with the help of Bezier curves, with the aim of reproducing the reduction technique found in the literature, i.e. the design of teeth that does not follow the involute curve. Gearing of this type demonstrated the possibility of significantly reducing the volumetric delivery pulse of gear pumps (up to 50%), while at the same time underlining the limits of improvement that can occur without formable geometries. Following this step, a unified model was developed to simultaneously model the effect of leaks (flows through orifices for moving/fixed walls) and changing fluid geometry/static properties on the development of flow and pressure pulses in high-pressure hydraulic pumps. Closing this first category, an innovative mechanical-hydraulic system of tunable walls was designed for atteniating the pressure pulses of a positive displacement hydraulic pump, which showed the possibility of reducing the pressure pulse even by more than 50% at frequencies of 250Hz. With reference to the second category of pressure pulse damping technique, initially modeling and numerical analysis of a helical pressure pulse attenuation was done using FEA in COMSOL environment and the attenuating capacity was investigated at individual frequencies but also at wide frequencies close to the nominal operating range. Finally, an innovative variation of a formable Herschel-Quincke (MHQT) attenuator was developed and modeled using straight lines of short lengths. The results showed that this solution can lead to a reduction in the width of the transmitted pulses even up to 95%, offering a parallel reduction in complexity.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η διερεύνηση, η ανάλυση και ο σχεδιασμός γεωμετριών για βέλτιστη λειτουργία υδραυλικών κυκλωμάτων υψηλής πίεσης, αξιοποιώντας τις τεχνικές μορφοποίησης των τοιχωμάτων που περικλείουν το εργαζόμενο μέσο. Στα πρώτα στάδια της εργασίας αναζητήθηκαν προβλήματα στο πεδίο των υδραυλικών συστημάτων τα οποία θα μπορούσαν να επιλυθούν με νέες τεχνικές που δεν ενέχουν καταστροφή της ροής του εργαζόμενου μέσου και συνεπώς δεν οδηγούν σε περαιτέρω απώλειες διαρροών. Ως αποτέλεσμα της διερεύνησης αποφασίστηκε να μελετηθεί συγκεκριμένα το θέμα της απόσβεσης των παλμών πίεσης προερχόμενων από αντλίες θετικής μετατόπισης σε δύο κεντρικές υποπεριπτώσεις: α) απόσβεση επί της πηγής γένεσης των παλμών με τεχνικές μορφοποίησης που εισάγονται πάνω στο σώμα της αντλίας, β) απόσβεση ανάντι υδραυλικών στοιχείων που υφίστανται υψηλή καταπόνηση/παίζουν μεγάλη σημασία κατά την λειτουργία υδραυλικών κυκλωμάτων υψηλής πίεσης με χρήση κατάλληλων αποσβεστήρων μορφοποιούμενων τοιχωμάτων. Για την πρώτη περίπτωση έγινε μια αρχική μοντελοποίηση της λειτουργίας γραναζωτών αντλιών με εξωτερική οδόντωση με την βοήθεια καμπυλών Bezier, με στόχο να αναπαραχθεί η τεχνική μείωσης που απαντάται στην βιβλιογραφία, δηλαδή ο σχεδιασμός οδοντώσεων που δεν υπακούει στην εξελιγμένη καμπύλη. Οι οδοντώσεις αυτού του τύπου έδειξαν της δυνατότητα σημαντικής ελάττωσης του ογκομετρικού παλμού παροχής γραναζωτών αντλιών (έως και 50%), ενώ παράλληλα υπογράμμισαν τα όρια βελτίωσης που μπορεί να επέλθει χωρίς μορφοποιούμενες γεωμετρίες. Σε συνέχεια αυτού του βήματος, έλαβε χώρα η ανάπτυξη ενοποιημένου μοντέλου για ταυτόχρονη μοντελοποίηση της επίδρασης των διαρροών (ροές μέσα από σχισμές για κινούμενα/σταθερά τοιχώματα) και της μεταβαλλόμενης γεωμετρίας/καταστατικών ιδιοτήτων του ρευστού στην ανάπτυξη παλμών παροχής και πίεσης σε υδραυλικές αντλίες υψηλής πίεσης. Κλείνοντας την πρώτη αυτή κατηγορία σχεδιάστηκε καινοτόμο μηχανικό-υδραυλικό σύστημα μορφοποιούμενων τοιχωμάτων για την απόσβεση των παλμών πίεσης κατάντι υδραυλικής αντλίας θετικής μετατόπισης το οποίο έδειξε δυνατότητα μείωσης του παλμού πίεσης ακόμα και πλέον του 50% σε συχνότητες της τάξης των 250Hz. Αναφορικά με την δεύτερη κατηγορία τεχνικής απόσβεσης παλμού πίεσης, αρχικά έγινε μοντελοποίηση και αριθμητική ανάλυση ελικοειδούς αποσβεστήρα παλμών πίεσης με χρήση ΠΣ σε περιβάλλον COMSOL και διερευνήθηκε η ικανότητα απόσβεσης σε μεμονωμένες συχνότητες αλλά και σε εύρη συχνοτήτων πλησίον της περιοχής ονομαστικής λειτουργίας. Τέλος αναπτύχθηκε και μοντελοποιήθηκε μια καινοτόμα παραλλαγή μορφοποιούμενου αποσβεστήρα Herschel-Quincke (MHQT) με χρήση ευθύγραμμων αγωγών μικρού μήκους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η λύση αυτή μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του πλάτους των μεταδιδόμενων παλμών ακόμα και στο ύψος του 95%, προσφέροντας παράλληλα μείωση πολυπλοκότητας.